航海雷达识别与跟踪海冰试验

在辽东湾某座石油平台上安装了监测海冰的航海雷达。首先对该雷达探测与识别海冰的效果进行了试验。结果表明,它可识别莲叶冰、平整冰、粗糙冰与冰脊,其识别能力主要与雷达性能、天线高度以及海冰表面粗度有关;为了增大雷达对海冰的探测距离,在平台顶部架设了天线塔,使天线高度达到５５ｍ;该雷达系统有对海冰连续跟踪的能力,可为研究海冰生消和运动规律提供依据,同时也是局部海冰实时监测与海冰管理的有力手段。     

基于扩展多面体包络函数的快速接触搜索算法

扩展多面体是由基本多面体和扩展球体通过Minkowski Sum方法构造生成,其同时具有多面体和球体的几何性质,可用于复杂形态颗粒的离散元模拟.为提高扩展多面体单元的接触搜索效率,本文采用球面函数与二阶多面体扩展函数加权求和的方法形成扩展多面体的包络函数,将扩展多面体的接触问题转化为两个包络函数之间的优化问题.通过拉格朗日乘子算法可求解该优化问题进而确定两个包络函数之间的接触中心点.基于该接触中心点可快速判断多面体单元间的最近点以及两个接触颗粒的接触法向和接触重叠量,从而避免了以往接触判断中逐个几何特征搜索判断导致的算法复杂性,有效地提高了扩展多面体离散元的接触搜索效率.综合以上扩展多面体单元的快速接触搜索方法和非线性接触模型,本文发展了基于扩展多面体的非规则离散元方法.通过不同形态单个颗粒下落过程的模拟,研究了包络函数中光滑度系数对结果的影响.分析表明光滑度系数在0.0001–0.1范围内对计算结果影响较小,且光滑度系数越小计算结果越趋近于一致,说明本文方法具有良好的稳定性.通过多颗粒在方形平底漏斗中卸料过程的离散元模拟,与已有的试验和数值模拟结果对比分析了漏斗中的剩余颗粒比例,验证了本文提出的高效接触搜索算法和非线性接触模型的可靠性.     

基于水平集接触算法的任意形态颗粒材料球谐离散元方法

为对自然环境或工业领域中非规则颗粒材料的力学特性进行精确计算,本文采用球谐函数发展了可描述任意几何颗粒形态的球谐离散元方法.考虑球谐单元的凹凸形态及多点接触特性,发展了基于水平集方法的任意形态接触算法,以准确计算单元间的接触方向和重叠量.该算法将不同形态的球谐单元离散为由一系列点组成的零水平集函数和空间离散水平集函数,并将单元间的接触问题转化为两个水平集函数间的求解问题.通过将一系列零水平集点代入邻居单元的空间离散水平集函数中进行三线性插值,可确定两个接触单元间的多接触点及作用力.为检验基于水平集算法的球谐离散元方法的可靠性,对单颗粒与刚性壁面的弹性碰撞、单颗粒自由下落和多颗粒动力堆积过程进行了离散元模拟,研究了颗粒的平动和转动动能随时间的变化规律.计算结果表明,基于水平集算法的球谐离散元方法可准确地计算单元间的接触碰撞作用,并可保证弹性碰撞时颗粒系统的能量守恒及非弹性碰撞时颗粒系统的能量衰减直至动能为零.在此基础之上进一步分析了不同表面凹凸特性对颗粒堆积中体积分数和平均配位数的影响,为任意形态颗粒材料的数值模拟提供了一种有效的离散元方法.     

粒介质在类固-液相变过程中的时空参数特性

颗粒介质的类固-液相变过程除受材料性质影响外, 还与其运动速率和密集度有密切关系, 而接触时间数和配位数是表征该相变过程中颗粒间相互作用的重要时间和空间参量. 本文采用三维离散元方法对不同切变速率和密集度下颗粒介质的动力学行为进行了数值模拟, 确定了颗粒材料在类固-液相变过程中接触时间数和配位数的参数特性和演化过程, 并结合宏观应力的分布特性, 进一步确定了颗粒介质在液态和固态相互转化中的动力学机理, 讨论了颗粒介质在由快速流动向慢速、准静态转化的相变过程. 通过对颗粒单元相互作用的细观数值模拟, 获取了颗粒介质在宏观上的动力学行为, 为研究其在不同相态下的本构模型提供了依据.     

寒区近岛工程新进展

第19届国际极区港口与海洋工程学术会议（The 19th International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions，简称POAC’07）于2007年6月26-30日在辽宁省举办。此次会议由大连理工大学主办，工业装备结构分析国家重点实验室副主任岳前进教授任会议主席。     

极区船舶及海洋结构冰荷载的离散元分析

 冰荷载是影响极区船舶及海洋结构振动响应和疲劳寿命的重要因素。针对海冰的离散特性,分别采用具有黏结-破碎效应的球体单元、扩展圆盘单元以及基于闵可夫斯基和方法的扩展多面体单元构造海冰离散单元模型,分析了船体、固定式、自升式以及浮式海洋结构的冰荷载特性及分布规律。此外,为计算海冰作用下海洋结构的振动响应,建立了相应的冰激结构振动的离散元-有限元模型。在上述基础上自主研发了基于图像处理单位（GPU）并行算法的海冰离散元软件（IceDEM）,实现了对船舶以及海洋平台结构冰荷载离散元分析的大规模计算。     

颗粒物质剪切流动的类固-液转化特性及相变图的建立

颗粒物质类固-液相态间的转化现象广泛存在于工程地质、自然环境和工业生产等诸多领域,其力学特性在相态转化过程中会发生很大的变化,是目前颗粒物质力学研究的热点和难点.通过对颗粒物质类固-液转化过程中基本力学行为的研究,可建立表征颗粒物质类固-液转化的相变图,揭示类固-液转化的内在机理.颗粒物质的类固-液转化过程可大体分为两种,即阻塞与流动状态的转化,以及在流动过程中类固态与类液态力学行为的转化.本文以周期边界条件下的多分散颗粒系统为研究对象,采用离散单元方法数值模拟了单剪流动过程;分析了在不同体积分数和剪切速率下颗粒系统的平均应力、配位数、净接触时间数、有效摩擦系数、惯性指数和广义Savage数等宏观参数的分布规律;讨论了类固-液转化的内在机理,建立了一个以孔隙率、无量纲剪切应力和无量纲剪切速率为基本变量的相变图.该相变图不仅能够表征出颗粒物质由阻塞向流动状态的转变,同时也能够描述颗粒物质在剪切流动中发生类固-液转化的演化规律.     

非规则颗粒与滚筒球磨机相互作用的离散元–有限元耦合分析

非规则颗粒形态显著影响球磨机中颗粒材料的运动行为，同时对球磨机结构产生不同的力学响应。采用超二次曲面方程描述非规则颗粒材料，并发展了离散元（discrete element method,DEM）–有限元（finite element method, FEM）耦合算法以分析非规则颗粒材料与滚筒球磨机间的相互作用。在该算法中，滚筒球磨机被划分为一系列四边形单元，并且超二次曲面颗粒与球磨机间的接触判断可转化为超二次曲面颗粒与四边形单元间的接触判断。将计算得到的碰撞力向节点插值，该节点力作为载荷条件在有限元中进行隐式动力学求解，并通过求解颗粒运动方程和有限元动力方程实现颗粒运动更新和结构力学响应分析。进一步分析了滚筒球磨机中球体、圆柱体和立方体颗粒材料的运动行为以及滚筒球磨机的变形及应力分布规律。研究结果表明：颗粒形状显著影响球磨机研磨效果和球磨机结构位移；立方体颗粒具有最好的研磨效果，而圆柱体颗粒比球体颗粒具有更好的研磨效果；在结构位移上，立方体颗粒有最大的峰值位移，其次是圆柱体和球体颗粒；相比于规则的球体颗粒，超二次曲面颗粒有不规则的表面形状，这会导致更好的研磨效果和更大的结构位移。